暗能量之动力学暗能量——精质理论

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宇宙学两大黑暗的地段就是暗能量与暗物质。

这两方面吸引了一大波宇宙学家们，他们为此做出了极大的贡献，产生了各种各样千奇百怪的理论模型。

今天我们就简单来介绍一类暗能量模型——quintessence。

Quintessence是由加拿大裔美国理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）提出的，他也是今年的诺贝物理学奖得主。

皮布尔斯老爷子尝试了以某种标量场产生排斥性的引力，这种排斥性的引力为宇宙加速膨胀提供机制。这个理论叫做quintessence，一般翻译为精质。

当然类似理论还很多，比如翻译比较搞笑的精灵，幽灵等等。

不过在深入介绍皮布尔斯老爷子的工作之前，我们简单回顾一下暗能量的发展历史。

大概在98年的时候，两个超新星观测小组在通过测量标准烛光超新星Ia型的光谱，来精确验证距离和红移关系的时候发现了一个问题，那就是观测数据显示宇宙看似在加速膨胀。

根据多普勒效应就可以知道，光谱红移的意思这个天体是在远离我们。

星系红移这个现象最早由哈勃发现，他观察一些距离我们不同距离的天体的速度发现了这些天体速度和距离的规律。

这张图就是当年哈勃文章中的图，纵坐标是速度，横坐标是距离，每个点代表一个星系。可见速度和距离基本上呈线性关系。

于是哈勃总结出了一个定律，也就是著名的哈勃定律:υ=H_0D，υ是天体相对于我们的速度，D是天体相对于我们的距离。H_0代表的是哈勃常数。同时哈勃根据宇宙学原理（宇宙各向同性均匀分布)从它的观测数据中大胆的假设宇宙在膨胀。当然这也得到了大多数人的认可。

可是宇宙膨胀随时间该怎么发展？宇宙的未来结局是怎么样的？

大多数人都认为宇宙中的物质因为引力相互作用肯定会让宇宙膨胀减速，宇宙的结局和未来就是两种东西的对抗，分别是宇宙的膨胀和宇宙中物质的引力相互作用。

抱着这样的想法，在20世纪80年代，加州大学伯克利分校的几位物理学家和研究生，组成了“伯克利超新星自动搜索”小组，他们想用超新星Ia型作为标准烛光，探测出宇宙膨胀减慢的速度。

超新星Ia型按照现在的模型，它其实是双星系统。一颗白矮星和一颗正常的伴星。白矮星会贪得无厌地吞噬伴星的物质，它不会一口便将伴侣吃掉，而是会在其周围建立一条细长的物质通道，这条通道会像蛇一样缠绕着伴星，并形成一个巨大的圆盘，术语叫做吸积盘。而白矮星则会通过这根“吸管”，将伴星体内的物质步步蚕食。

但是，这样的掠夺并非是无止境的，天下也没有免费的午餐，贪吃的白矮星会付出惨痛的代价。当白矮星通过吞噬，逐渐长大到1.44倍太阳质量（钱德拉塞卡质量)的时候，这个质量已是它的极限。白矮星由于内部的密度很高，因此能够点燃连锁反应，一系列核聚变过程将会最终导致白矮星的爆发，这就是Ia型超新星。爆发的能量可能会超过10^44J，足可以让白矮星粉身碎骨。当然近些年的天文观测也显示会存在一定几率，有一些系统可能从半星吞食的物质少一点也会引起爆炸，但是不足以粉身碎骨。

由于极限质量是一样的，因此爆发产生的能量也是一定的，爆发时所产生的亮度也是一定的。所以，科学家就将IA型超新星称为宇宙中的“标准烛光”。

通过这张图可以看出，Ia型超新星（在这张图中Ia型超新星缩写为SN I）爆发后光极大时光度基本上是一样的，几乎所有的这种类型的超新星光变曲线都是一样的。

通过观测爆发时的明暗程度，我们还可以判断这颗超新星距离我们有多远；超新星爆发后光极大时光度作为亮度标准可以测量距离。根据绝对星等的值跟的红移就可以求出哈勃常数，同样也可以去精确的验证哈勃定律。

后来，他们又把这个小组改名为“超新星宇宙学项目”。他们的研究工作起初并不那么顺利，对超新星的观测难度也超过了预期。

20世纪90年代，一些天文学家也加入了探测超新星的比赛，他们成立了一个名为“高红移超新星搜寻”的小组，

通过一段时间的观测，两个互相竞争的小组最后得到了相同的答案，这个答案远远超出他们的预期，曾经，他们只想获得宇宙膨胀减慢的证据，没想到实际结论恰恰相反——宇宙正在加速膨胀。1998年，两个超新星小组的代表和另外2个天文学家一起，召开了记者招待会，4个独立的研究项目，用同一个声音向世界宣布，宇宙将永远膨胀。

根据红移的变化，这个远离我们的速度是可以计算的那么计算表明超新星是在加速的远离我们这显然是跟我们我们熟悉的标准宇宙模型是矛盾的。因为引力是吸引的，物体远离只可能会减速才对可是，后来世界上三个不同的天文的小组都确认了星系加速远离的这个事实这显然需要一个合理的解释，我们把这个解释称之为暗能量。

于是，在1998年两个超新星观测小组宣布他们的观测结果——我们的宇宙正在加速膨胀。

让我们看看在当时标准宇宙模型下能不能解释这个现象。

这是宇宙动力学标准方程，弗里德曼方程。当然这是不含宇宙学常数的，或者说宇宙学常数为零。

这里的ρ就是能量密度，P代表的是压强，现在可以去定义一个物态方程参数：ω=P/ρ。

它是用来了解我们宇宙组成部分的重要参数。

如果你就是加速膨胀的，那么这个参数ω必须是小于零的，并且还可以进一步限制为ω-1

2.精灵（Phantom），ω-1亦或ω